cBN-Fe 磁性磨粒的制備工藝及性能

馬雨寒 張寶瑞 周長樂 陳保池 王大慶 田鑫 丁云龍

摘要 針對現有燒結法制備的磁性磨粒中研磨相材料硬度較低，對硬度高、導磁性差的鈦合金等工件的研磨效果差，且硬度最高的金剛石材料無法作為研磨相用燒結法來制備磁性磨粒的問題，以Fe 粉為基體，cBN粉末為研磨相，燒結制備cBN-Fe 磁性磨粒；以Ti-6A1-4V（TC4）板為研磨對象，用控制變量法探究燒結法制備的cBN-Fe 磁性磨粒中燒結時間、升溫速度、原料配比對其研磨性能的影響，確定其最佳的制備工藝參數；并以45#鋼和202 不銹鋼為研磨工件，比較cBN-Fe 與燒結法制備的Al2O3-Fe、SiC-Fe 3 種磁性磨粒研磨前后工件的表面粗糙度、表面形貌，探究不同磁性磨粒的研磨性能和使用壽命。結果表明：當Fe 粉與cBN 粉的質量比為3∶1，燒結溫度為1 150 ℃，燒結時間為6 h，保溫時間為2 h，升溫速度為3.19 ℃/min 時，制備的cBN-Fe 磁性磨粒研磨性能最佳，優于燒結法制備的Al2O3-Fe、SiC-Fe 磁性磨粒的，且其使用壽命分別是Al2O3-Fe 磁性磨粒和SiC-Fe 磁性磨粒的1.6 倍和1.3 倍。

關鍵詞 燒結法；磁性磨粒；升溫速度；原料配比

中圖分類號 TG73; TG58; TQ164 文獻標志碼 A文章編號 1006-852X（2023）04-0422-10

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0130

收稿日期 2022-08-15 修回日期 2022-11-30

隨著先進制造技術的發展，航空航天、醫用、精密器械等領域對機械構件的質量要求不斷提高，也促使其光整加工技術快速發展，磁粒研磨光整加工技術即是其中的一種。磁粒研磨光整加工技術是利用磁性磨粒在磁場作用下，在工件表面仿形形成柔性磁粒刷，對工件表面進行研磨，達到光整加工的目的[1]。磁粒研磨因具有自銳性好、適應性好、研磨溫升低、殘余應力小等特點，且不受加工工件形狀的影響，可對平面、曲面、內外圓、復雜小零件的表面進行光整加工[2-3]。目前，成熟的磁性磨粒制備工藝有黏接法[4]、燒結法[5]、霧化快凝法[6]、等離子噴涂法[7]、化學復合鍍法[8] 等，其中的燒結法具有制作工藝簡單、結合強度高、成本低等優勢。

現有的磁性磨粒基本上以SiC、Al2O3 和金剛石等為研磨相。以SiC、Al2O3 為研磨相的磁性磨粒，因研磨相的硬度較低，在研磨加工硬度較高的金屬材料時效率低，甚至無法研磨。金剛石硬度最高、尖銳鋒利，適合用來加工非金屬材料、有色金屬及其合金等，因而被廣泛用于加工硬質合金、陶瓷、光學玻璃、寶石、半導體、石材等硬而脆的材料。

潘韓飛[9] 用化學復合鍍制備鐵基金剛石磁性磨粒，探究了鐵粉裝載量、金剛石磨料濃度、攪拌速度等對金剛石磁性磨粒表面形貌的影響，用其加工石英，石英表面粗糙度雖有下降，但研磨后石英的表面質量較差。牛鳳麗等[10] 采用燒結法制備鐵基白剛玉磁性磨粒，并用其對3Cr2Mo 模具鋼材料進行磁力研磨，以此確定了磨粒的最佳制備工藝參數。康璐等[11] 采用燒結法制備SiC-Fe 磁性磨粒，通過對磁性研磨粒子進行能譜分析，結合鈦合金板磁力研磨試驗評價研磨粒子的研磨能力，確定了合理的磁性研磨粒子工藝制備參數。賀美云等[12-13] 在試驗中得出， 加工45#鋼時燒結法制備的Al2O3-Fe 磁性磨粒的磨削性能優于SiC-Fe 磁性磨粒的。

理論上磁性磨料中研磨相的硬度越高，磁性磨粒的研磨效果和研磨質量越好。硬度最高的材料是金剛石，其次是立方氮化硼（cBN）。但金剛石的熱穩定性差，當溫度超過900 ℃ 時就會碳化；另一方面，高溫下金剛石易與鐵發生反應，不能用來加工鋼鐵類材料[14]。

cBN 是一種人工合成的超硬材料，其原子結構近似于金剛石的，硬度僅次于金剛石，且密度極高[15]，被廣泛用于刀具行業和超硬工具中[16]，加工比較難磨的金屬材料尤其是工具鋼、模具鋼、不銹鋼、耐熱合金鋼等。

同時，cBN 的耐熱溫度達1 400 ℃，化學惰性較好，高溫下不易與鐵反應；且cBN 具有弱的鐵磁性，是燒結法制備磁性磨粒理想的研磨相材料。

因此，以Fe 粉為基體，cBN 粉末為研磨相，燒結制備cBN-Fe 磁性磨粒，解決現有研磨相硬度低，對硬脆工件加工效果差，且金剛石無法作為研磨相來燒結制備磁性磨粒的問題。通過對不導磁的硬脆材料Ti-6A1-4V（TC4）板的研磨效果，確定燒結法制備磁性磨粒的最佳工藝參數。并以45#鋼和202 不銹鋼為研磨工件，使其與燒結法制備的SiC-Fe、Al2O3-Fe 磁性磨粒的研磨質量對比，通過比較工件研磨前后的表面粗糙度、表面形貌，探究3 種磁性磨粒的研磨性能和使用壽命。